Вспомним забытые технологии: Основы технологии производства отливок с использованием углесодержащих формовочных материалов.Часть 4.Основы технологии производства отливок с использованием графитовых форм ИЗВОДСТВА ОТЛИВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ

     В основу настоящей публикации положен анализ источника [1].

     Экономичность и качество получаемых отливок во многом зависят от конструкции литейной формы, которая должна проектироваться с учетом процессов, имеющих место при заполнении формы расплавленным металлом, а также во время кристаллизации и охлаждения отливки. Конструкция графитовой формы должна быть простой в изготовлении, обеспечивать получение отливок с заданными физико-механическими свойствами и с точными размерами. Кроме того, конструкция формы должна обладать высокой стойкостью в работе, обеспечивать широкие возможности использования ее при механизированном и автоматизированном процессе литья.

     Конструкция графитовых форм определяется следующими технологическими параметрами: конструкцией и размерами отливки, литейным положением отливки, наличием или отсутствием графитовых и песчаных стержней, конструкцией литниковой системы и элементов питания отливки, способом нагрева форм; серийностью выпуска отливок и др.

1.1.ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ

     В зависимости от расположения плоскости разъема в пространстве графитовые формы разделяются на пять следующих типов:

1) неразъемные вытряхные формы (рис. 1), рекомендуемые для получения простых по конструкции, чаще всего цилиндрических отливок массой до 50 кг;

Рис.1

2) неразъемные графитовые втулки, предназначенные для получения цилиндрических и трубных заготовок непрерывным и центробежным (рис. 2) способами литья;

Рис.2

3) графитовые формы с вертикальной плоскостью разъема, используемые для небольших отливок (массой до 20 кг), плоских прямоугольных и цилиндрических заготовок несложной конфигурации;

4) формы с горизонтальной плоскостью разъема (рис. 3), предназначенные для получения наиболее сложных и крупных цилиндрических и прямоугольных отливок массой до 500 кг и более;

Рис.3

5) формы с комбинированной плоскостью разъема (рис. 4), пригодные для производства как фасонных, так и прямоугольных отливок.

Рис.4

     Исходя из необходимости максимального упрощения процесса литья и снижения себестоимости отливок, автором рекомендуются формы со сменными графитовыми вставками (рис. 5).

Рис.5                                                                                                     Рис.6

Такие универсальные формы представляют собой систему, состоящую из стального литого или сварного основания (рис. 5 и 6), в цилиндрическое или квадратное гнездо которого устанавливаются сменные графитовые вкладыши; последние фиксируются в рабочем положении стопорными болтами, ввинчивающимися в боковые стенки стального основания. Для образования каналов литниковой системы рекомендуются разовые песчаные стержни. Стержни устанавливаются в гнезда, предназначенные для них в стальном основании. Для образования внутренней полости или отверстия в центральную часть формы могут быть установлены песчаные разовые или графитовые стержни; надежная фиксация знаков стержней обеспечивается донным графитовым вкладышем и центральным гнездом вкладыша.

     Рациональность конструкций универсальных графитовых форм была проверена в производственных условиях при получении заготовок, отливаемых для завода «Калибр», а также фланцев трехкулачкового патрона на московском заводе «Станколит». Такая конструкция форм получила положительный отзыв литейного отдела ЦНИИТМАШа.

     Универсальные формы имеют следующие преимущества:

возможность получения большого числа разнообразных отливок благодаря легкой смене графитовых вкладышей;

малый и экономичный расход искусственного графита;

удобство переточек графитовых вкладышей на тот же или на больший размер отливок;

не требуются подъемно-транспортные средства как для сборки форм, так и для их транспортировки на переточку и др.

     По аналогии с песчано-кокильными формами рекомендуется применять в производстве комбинированные песчано-графитовые формы; такие формы рациональны при литье большой группы отливок, отливаемых в одной полуформе. Песчано-графитовые формы могут применяться также для деталей; внутренняя полость которых оформляется песчаными стержнями. В этом случае в нижней графитовой полуформе должны быть предусмотрены знаки для установки стержней. Использование песчано-графитовых форм особенно рационально для отливки разметочных контрольных плит, утюгов и т.д., к отдельным поверхностям которых предъявляются особо жесткие требования в части чистоты поверхности, повышенной прочности или износостойкости.

Рис.7

На рис. 7 представлена конструкция песчано-графитовой формы для отливки утюгов, испытанных в производственных условиях на московском заводе «Станколит». Верхняя полуформа формовалась на формовочной машине марки 266М, а затем ставилась на графитовую строганую плиту. Заливка форм осуществлялась на конвейере одновременно с толстостенными песчаными формами. Отлитые в песчано-графитовой форме утюги имели гладкую чистую рабочую поверхность, отличающуюся очень плотной структурой при полном отсутствии каких-либо поверхностных дефектов; дефекты обычно имеют место при литье утюгов в толстостенные песчаные формы. По мнению работников завода, при внедрении литья утюгов в песчано-графитовые формы можно снизить величину припуска с 1,5-3,0 до 0,5-0,8 мм, которые предусматриваются на строгание рабочей поверхности утюга. В этом случае отделка утюга будет сводиться лишь к шлифованию поверхности глажения. Помимо получения гладкой и чистой поверхности наиболее ответственных мест литых изделий, следует отметить и другие преимущества технология литья в песчано-графитовые формы, а именно:

повышенную плотность сплава за счет направленного затвердевания отливки;

упрощение процесса и снижение трудоемкости изготовления форм;

снижение себестоимости отливок и экономию металла и др.

1.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАБОТ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ГРАФИТОВОЙ ФОРМЫ

     Разработка конструкции графитовой формы включает комплекс вопросов, связанных с выбором параметров технологического процесса литья и конструктивных элементов формы. Решение этих вопросов должно производиться в следующей последовательности:

а) анализ технологичности конструкции заданной детали применительно к литью в графитовые формы;

б) выбор положения детали при заливке;

в) назначение величины припусков на механическую обработку;

г) установление величины литейной усадки сплава;

д) назначение плоскости разъема и выбор конструкции (типа) графитовой формы;

е) назначение величины литейных уклонов и радиусов галтелей;

ж) определение числа стержней и разработка конструкций их знаков (форма, размеры, конусность и т.п.);

з) выбор типа литниковой системы и ее расчет; разработка конструкций литниковых стержней;

и) назначение толщины стенок графитовой формы и определение габаритных размеров формы;

к) разработка конструкции оградительного кожуха, системы центрирования полуформ и устройств для монтажа их на машину;

л) разработка системы искусственной вентиляции;

м) определение числа и мест расположения толкателей;

н) разработка и расчет системы электроподогрева графитовой формы;

о) выбор или разработка конструкции оборудования для механизации процессов литья.

1.3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ        

     Анализ технологичности конструкции детали должен производиться с учетом ранее сделанной рекомендации по выбору деталей, пригодных для перевода на литье в графитовые формы. Для неудачных в литейном отношении конструкций необходимо выяснить возможность улучшения технологичности за счет внесения необходимых конструктивных изменений или (при несогласии заказчика менять конструкцию) отказаться от получения заданных отливок литьем в графитовые формы; при этом следуют рекомендовать наиболее рациональный метод их производства.

     Выбор положения детали при заливке производится с учетом обеспечения свободного течения (отсутствие удара) металла о стенки полости графитовой формы, надежного отвода газов и воздуха при заполнении формы сплавом; извлечения отливок из формы без разрушения отдельных ее частей; получения плотного, свободного от газовых и неметаллических включений металла на наиболее ответственных поверхностях отливок. Эти условия достигаются выбором такого положения отливки в форме, при котором наиболее ответственные части детали располагаются на нижних и боковых поверхностях графитовой формы или оформляются в графитовых частях формы (при наличии в форме песчаных стержней).

     В процессе кристаллизации чугуна в графитовой форме сера и фосфор как наиболее легкоплавкие примеси, с большой скоростью отжимаются в массивные места и зоны отливки, образованные песчаными стержнями, в которых сплав застывает в последнюю очередь.

     Назначение величины припусков на механическую обработку производится с учетом повышенной точности оливок, получаемых в графитовых формах. Максимальный припуск на механическую обработку для чугунных отливок, получаемых в графитовых формах, приведен в табл. 1.

     Установление величины линейной усадки сплава необходимо в связи с требованиями точности отливок.

     Величина линейной усадки сплава зависит от его удельного веса, химического состава, температуры заливки, вида и количества примесей, а также других факторов. На величину усадки серого чугуна большое влияние оказывает выделение из него графита при фазовых превращениях. По этой причине химические элементы, способствующие выделению графита, уменьшают линейную усадку чугуна и наоборот. При литье в графитовые формы имеют место повышенные значения линейной усадки серого чугуна, что обусловливается высокой скоростью его охлаждения, снижающей количество графита, выделившегося при фазовых превращениях.

                                                                                                                                 Таблица 1

     Величина линейной усадки чугуна при литье в графитовые формы автором определялась опытным путем на основе сопоставления линейных размеров графитовой формы и полученных в ней отливок с использованием известной формулы

  где  l_ф – размер полости графитовой формы;

       lо – размер полученной отливки.

     Ниже приводятся рекомендации по установлению величины линейной усадки для отливок из серого чугуна при получении их в графитовых формах:

     Примечание: цифры в числителе относятся к отливкам со свободной усадкой, в знаменателе – с    затрудненной усадкой.

     Назначение плоскости разъема графитовой формы производят исходя из конфигурации и веса получаемых отливок, а также с учетом рекомендованных типовых конструкций графитовых форм, предназначенных для определенных групп литья.

     Величина литейных уклонов вертикальных стенок графитовых форм назначается с учетом повышенной усадки отливок, которая обусловливается высокой теплопроводностью искусственного графита. Последняя увеличивает возможность образования в отливках внутренних напряжений и трещин при наличии на рабочей поверхности графитовых форм резких переходов (от более толстых стенок к более тонким) и острых углов. Кроме того, из-за высокой скорости охлаждения сплава может происходить зажим выступающих частей графитовых форм. При проектировании графитовых форм эти особенности кристаллизации сплавов учитываются путем назначения бόльших чем при литье в песчаные и металлические формы уклонов вертикальных (по отношению к плоскости разъема) стенок и радиусов галтелей. Величина уклонов вертикальных стенок графитовой формы должна составлять для внешних стенок, оформляющих наружные очертания отливок, 0,2-2º, для внутренних стенок, образующих полости и отверстия, 2-8º.

     Графитовые и песчаные стержни. Для получения внутренних полостей, а также выемок и выступов на наружной поверхности отливок в графитовых формах следует применять сухие песчаные стержни, графитовые стержни и вкладыши. В зависимости от конфигурации получаемых отливок и расположения плоскости разъема графитовой формы стержневые знаки могут иметь различные конструкции. При назначении размеров знаков горизонтальных, вертикальных и подвесных стержней руководствуются ГОСТом 3606-57. Однако, учитывая повышенную чистоту поверхностей графитовой формы, величину уклонов знаков стержней возможно снизить на 30-40%. По той же причине снижают величины зазоров и допусков на знаки вертикально располагаемых в графитовых формах стержней, которые назначаются по нормам [2], рекомендуемым для металлических форм.

     Выбор типа литниковой системы и ее расчет. Недостаточная газопроницаемость и высокая теплопроводность искусственного графита снижают жидкотекучесть сплава, что вызывает необходимость увеличения размеров сечений литниковых каналов графитовых форм по сравнению с теми же сечениями для песчаных толстостенных форм. При этом принципы построения и расчеты элементов литниковой системы остаются теми же, что и при литье в песчаные формы. По предварительным экспериментальным данным можно считать, что размеры сечений элементов литниковых систем графитовых форм должны быть увеличены по сравнению с размерами сечений литников песчаных форм на 10-15% для простого по конфигурации и более массивного литья массой свыше 20 кг; на 20-25% для более сложных отливок массой до 20 кг (для отливок из чугуна СЧ 15-32).

     При использовании чугуна 4-го класса, марок СЧ 21-40, СЧ 24-44, а также высокопрочных чугунов, размеры сечений должны повышаться еще в большей степени, для первых на 25-30%, а для вторых – на 30-40%.

     При построении литниковой системы графитовых форм учитывают следующее: спокойное (без ударов) заполнение формы металлом, устранение заноса воздуха поступающим в форму сплавом; удаление газов  из формы,  задержание шлаков и окислов, распределение температур в заполняемой металлом полости, при котором обеспечивается его направленная кристаллизация. Наиболее рациональными для графитовых форм являются литниковые системы: нормальная, сифонная и с верхним подводом металла. Учитывая повышенную скорость кристаллизации металла в оформляемых графитом каналах литников, не рекомендуется использовать литниковые системы с питающими бобышками, а также дроссельные системы. Исходя из необходимости повышения долговечности графитовых форм и улучшения условий их заполнения расплавленным металлом, рекомендуется оформление каналов литниковой системы в песчаных стержнях, для которых в графитовой форме необходимо предусмотреть специальные гнезда.

     Назначение толщин стенок графитовой формы связано с определением габаритных размеров формы. Учитывая, что при многократных заливках в графитовой форме не наблюдается коробление и отсутствуют внутренние напряжения стенок (что характерно для металлических форм), а также предусматривая желательность многократных переточек, рекомендуется увязывать с размерами поставляемых электродным заводом графитированных заготовок. Как показали производственные эксперименты [3], во время заливки расплавленного сплава и охлаждения отливок наиболее тонкие (толщиной менее 20 мм) стенки графитовой формы накаляются докрасна, что приводит к сильному разгару их поверхности. Это явление в большей степени сказывается на частях графитовой формы, образующих элементы литниковой системы и промежутки между соседними полостями многогнездной формы. Исходя из обеспечения высокой стойкости формы, автором [1] рекомендуется эмпирическая формула для определения минимальной толщины ее стенок

δ_ф = 15 + δ_отл,

где δ_отл, - половина максимальной толщины стенки или отдельных мест отливки в мм.

     При этом минимальная толщина стенки графитовой формы для всех случает практики должна быть не менее 25 мм. Применение многогнездных графитовых форм может быть рекомендовано только для определенных случаев ввиду быстрого их разрушения. Последнее является следствием отсутствия податливости у искусственного графита, что обусловливает прочный захват комплекта отливок питателями литниковой системы при усадке сплава.

     Многогнездные графитовые формы могут широко применяться лишь в тех случаях, когда подвод металла в каждую полость формы осуществляется через песчаный стержень, обладающий хорошей податливостью.

     При определении размеров графитовой формы необходимо соблюдать следующие минимальные параметры: расстояние от края стержня, оформляющего стояк, до полости отливки должно быть 40-80 мм (при меньшем расстоянии имеет место сильный разогрев и разгар стенки формы); длина питателей и расстояние между соседними питателями должны быть не менее     30 – 50 мм; расстояние от края формы до полости отливки должно быть 40 – 50 мм, с тем чтобы можно было предусмотреть в форме замок, препятствующий прорыву металла; высота стояка должна быть на 40 – 60 мм выше верхней кромки отливки, что необходимо для обеспечения гидростатического напора металла в форме.

(Продолжение следует).

ЛИТЕРАТУРА

1. Сосненко М.Н. Графитовые литейные формы. МАШГИЗ, М., 1963.
2. Ложичевский А.С., Ершов М.Е. Проектирование и изготовление металлических форм. Машгиз, 1950.
3. Сосненко М.Н. Параметры литья в постоянные графитовые формы. «Литейное производство», 1960, № 2.

Авторы: Канд.техн.наук, почетный литейщик Украины Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л.,

Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е. Л.

КНПП «Формовочные материалы Украины», г. Краматорск

Литье Украины, №3, 2021г. с.